폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 공동 축류 초점 장치를 사용하여 이중 에멀젼 생성

본 절차의 전반적인 목표는 동축 흐름 집중(coaxial flow focusing)을 이용하여 이중 에멀젼을 생성하는 전체 폴리디메틸실록산(poly dimethyl suboxane) 미세유체 장치를 제작하고 테스트하는 것입니다. 이 방법은 효소의 지향성 진화 및 희귀 표현형의 식별과 같이 초고처리량 스크리닝이 필요한 화학 및 생물학의 핵심 질문들에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 특수한 표면 처리 없이 소프트 리소그래피 제작 방식을 통해 이중 에멀젼 생성기를 빠르게 제작할 수 있다는 점입니다.

2층 공정 제작을 위한 미세유체 구조 설계부터 시작합니다. AutoCAD 소프트웨어를 사용하여, 여기 표시된 참고 문헌에 설명된 대로 10 micron 해상도의 회로 기판 필름에 설계를 인쇄합니다. 미리 세척된 3인치 직경의 실리콘 웨이퍼 중앙에 1~2밀리리터의 SU 8 30 35를 도포한 후, 스핀 코더에 올리고 척에 고정합니다.

500 RPM에서 20초간 스핀한 후, 2000 RPM에서 30초간 스핀합니다. 웨이퍼를 꺼내 135 °C 핫플레이트 위에서 30분 동안 베이킹합니다. 다음 단계로 넘어가기 전에 웨이퍼를 실온으로 식힙니다.

이제 코팅된 웨이퍼를 정렬된 LED 광원 아래에서 첫 번째 층의 마스크에 90초 동안 노출시킵니다. 노출 후, 웨이퍼를 135 °C 핫플레이트 위에 1분 동안 다시 놓습니다. 식힌 후, 웨이퍼 중앙에 1~2 mL의 SUH 2050을 도포합니다.

웨이퍼를 다시 스핀 코더에 올리고 500 RPM으로 20초 동안 회전시킵니다. 그다지 1,375 RPM으로 30초 동안 회전시킵니다. 스핀 코더가 정지하면 웨이퍼를 꺼내어 135 °C 핫플레이트 위에 30분 동안 다시 둡니다.

그 다음, 다음 단계로 넘어가기 전에 웨이퍼를 다시 상온으로 냉각합니다. 이전 단계에서 패턴화된 형상 위에 두 번째 층을 위한 마스크를 정렬하고, 코팅된 웨이퍼를 다시 한번 3분 동안 UV 광선에 노출시킵니다. 노출 후, 웨이퍼를 135 °C 핫플레이트 위에 1분 동안 올려둡니다. 냉각 후, 웨이퍼를 교반 중인 propylene glycol, monomethyl ether acetate 수조에 담가 마스크를 현상합니다.

배스에서 30분 후, 웨이퍼를 꺼내 이소프로판올로 세척합니다. 그다음, 135 °C 핫플레이트에서 1분 동안 웨이퍼를 베이킹합니다. 웨이퍼를 냉각시킨 후, 현상된 마스터를 100 mm 페트리 접시에 넣습니다.

플라스틱 컵에 실리콘 베이스 50g과 경화제 5g을 혼합하여 PDMS 배치를 준비합니다. 교반 스틱이 장착된 로터리 툴을 사용하여 성분들을 섞은 후, 데시케이터 내부에서 약 30분 동안 또는 모든 기포가 제거될 때까지 혼합물을 탈기합니다. 다음으로, 마스터 위에 PDMS를 3mm 두께로 붓습니다.

그 다음 페트리 접시를 데시케이터에 넣어 추가로 탈기합니다. 모든 기포가 제거되면, 60 °C에서 2시간 동안 장치를 굽습니다. 메스를 사용하여 몰드에서 PDMS 장치를 잘라내어 패턴 면이 위를 향하도록 깨끗한 표면에 놓습니다.

그 다음, 면도날을 사용하여 마스터 1에 의해 50 µm 유체 핸들링 구조가 각인된 조각의 장치 양측을 분리하도록 PDMS를 절반으로 자릅니다. 0.75 mm 생검 펀치로 유체 입구와 출구를 뚫습니다. 다음으로, 패턴이 형성된 면이 위로 향하게 하여 PDMS 조각들을 플라스마 챔버에 넣습니다.

300 W 플라즈마 세척기를 사용하여 1 mbar의 압력에서 60초 동안 장치를 산소 플라즈마 처리합니다. 그 다음 샘플을 꺼내고, 실체 현미경으로 장치를 관찰하는 동안 임시 윤활제 역할을 하도록 퀜칭되지 않은 PDMS 조각의 표면에 DI water 한 방울을 떨어뜨려 적십니다. 플라즈마 처리된 표면들을 서로 맞닿게 놓고, 기계적 결합이 이루어질 때까지 표면을 미끄러뜨려 밀착시킵니다.

함몰된 프레임과 돌출된 프레임이 결합되면, 조립된 장치를 60 °C 오븐에 넣고 이틀 동안 베이킹하여 수분을 증발시키고 접합을 완료합니다. 그다음, 경화되지 않은 PDMS를 몇 방울 사용하여 조립된 장치를 유리 슬라이드에 고정하고, 60 °C 오븐에서 1시간 동안 베이킹합니다. PDMS를 경화시키기 위해, 최소 100 µs의 셔터 속도가 가능한 디지털 카메라가 연결된 도립 현미경 스테이지 위에 미세유체 칩을 놓습니다.

다음으로, 10 milliliter 시린지 3개를 시린지 펌프에 장착하고 각각에 27 gauge 바늘을 부착합니다. 각 바늘에 약 30 centimeters 길이의 PE two 튜브를 연결하고, 튜브의 나머지 끝부분을 장치의 적절한 펀칭 홀에 삽입합니다. 그런 다음 10 centimeter 길이의 PE two를 장치의 배출구에 삽입하고 반대쪽 끝을 폐액 수집 용기에 넣습니다.

설치가 완료되면 시린지 펌프를 고속으로 작동시켜 장치를 프라이밍합니다. 펌프를 정지시킵니다. 튜브 세그먼트 내의 유체가 장치의 유입구 포트에 도달하면, 50 by 50 micrometer 오리피스가 있는 칩 영역에 현미경 초점을 맞추고 하류 배출 채널이 포함되도록 프레임을 조정합니다.

시린지 펌프를 설정하여 이중 에멀젼 생성기에 내부 상은 100 µL/h, 중간 상은 250 µL/h, 연속 상은 700 µL/h의 유속으로 액체를 공급하도록 합니다. 시스템이 평형에 도달할 때까지 10분 동안 기다립니다.

다음으로, 외부 상의 유량을 1050 µL/h로 증가시킵니다. 설정된 유량 조건에서 이중 에멀젼 생성이 안정화될 때까지 3~5분 더 기다립니다. 안정화가 되면, 30 Hz에서 5초 동안 비디오 영상을 획득합니다.

수동 이미지 분석을 통해 오프라인으로 처리할 수 있도록 비디오를 저장하십시오. 동반된 텍스트 프로토콜의 표 1에 제시된 값을 사용하여 외상(outer phase)의 유량을 변경하며 이 과정을 반복하십시오. 내상(inner phase)과 중상(middle phase)의 유량은 일정하게 유지하십시오.

이 과정 동안, 이중 에멀젼 장치를 다양한 유량 조건에서 테스트하였습니다. 다양한 크기의 단분산 이중 에멀젼 형성을 입증하기 위해, 연속상의 부피 대 내상과 중상의 부피 합의 비율을 각 이미지 상단에 표시하였습니다. 선택된 유량 비율에 따른 액적 직경의 히스토그램은 생성된 액적 크기의 상대적인 균일성을 보여줍니다.

결과적으로 생성된 이중 에멀젼은 5.2%의 평균 직경 변동 계수를 나타냅니다. 이 장치는 오리피스 너비보다 현저히 작은 이중 에멀젼을 형성하는 능력을 보여주며, 유량 비율이 증가함에 따라 크기가 명확하게 감소하는 경향을 보입니다. 테스트한 가장 높은 연속상 유량에서 50 by 50 µm 오리피스를 사용하여 14 µm 크기의 이중 에멀젼이 형성되었습니다. 개발된 이 기술은 화학 및 생물학 연구자들이 표준 유세포 분석 검출 플랫폼과 호환되는 액적 미세유체 실험을 수행할 수 있는 길을 열어줍니다.

이 영상을 시청한 후, 단순한 전체 PDMS 제작 기술을 이용한 미세유체 이중 에멀젼 생성기를 제작하고 테스트하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.